Pemotongan laser ialah teknologi yang menggunakan laser untuk mengewapkan bahan, menghasilkan potongan tepi.Walaupun biasanya digunakan untuk aplikasi pembuatan industri, ia kini digunakan oleh sekolah, perniagaan kecil, seni bina dan penggemar.Pemotongan laser berfungsi dengan mengarahkan output laser berkuasa tinggi yang paling biasa melalui optik.Optik laser dan CNC (kawalan berangka komputer) digunakan untuk mengarahkan pancaran laser ke bahan.Laser komersial untuk memotong bahan menggunakan sistem kawalan gerakan untuk mengikuti kod CNC atau G bagi corak yang akan dipotong pada bahan.Pancaran laser yang difokuskan diarahkan pada bahan, yang kemudiannya sama ada cair, terbakar, mengewap atau diterbangkan oleh pancutan gas,[1] meninggalkan tepi dengan kemasan permukaan berkualiti tinggi
Sejarah
Pada tahun 1965, mesin pemotong laser pengeluaran pertama digunakan untuk menggerudi lubang pada cetakan berlian.Mesin ini dibuat oleh Pusat Penyelidikan Kejuruteraan Elektrik Barat.[3]Pada tahun 1967, British mempelopori pemotongan jet oksigen berbantukan laser untuk logam.[4]Pada awal 1970-an, teknologi ini telah dimasukkan ke dalam pengeluaran untuk memotong titanium untuk aplikasi aeroangkasa.Pada masa yang sama laser CO2 telah disesuaikan untuk memotong bukan logam, seperti tekstil, kerana, pada masa itu, laser CO2 tidak cukup kuat untuk mengatasi kekonduksian haba logam.[5]
Proses
Pemotongan laser industri keluli dengan arahan pemotongan yang diprogramkan melalui antara muka CNC
Pancaran laser biasanya difokuskan menggunakan kanta berkualiti tinggi pada zon kerja.Kualiti pancaran mempunyai kesan langsung pada saiz titik fokus.Bahagian paling sempit bagi rasuk fokus biasanya kurang daripada diameter 0.0125 inci (0.32 mm).Bergantung pada ketebalan bahan, lebar kerf sekecil 0.004 inci (0.10 mm) adalah mungkin.[6]Untuk dapat mula memotong dari suatu tempat selain dari tepi, tusukan dilakukan sebelum setiap pemotongan.Menindik biasanya melibatkan pancaran laser berdenyut berkuasa tinggi yang secara perlahan-lahan membuat lubang pada bahan, mengambil masa sekitar 5–15 saat untuk keluli tahan karat setebal 0.5 inci (13 mm), contohnya.
Sinaran selari cahaya koheren daripada sumber laser selalunya jatuh dalam julat antara diameter 0.06–0.08 inci (1.5–2.0 mm).Rasuk ini biasanya difokuskan dan dipergiatkan oleh kanta atau cermin ke tempat yang sangat kecil kira-kira 0.001 inci (0.025 mm) untuk menghasilkan sinar laser yang sangat sengit.Untuk mencapai kemasan yang paling licin semasa pemotongan kontur, arah polarisasi rasuk mesti diputar semasa ia mengelilingi pinggiran bahan kerja berkontur.Untuk pemotongan kepingan logam, panjang fokus biasanya 1.5–3 inci (38–76 mm).[7]
Kelebihan pemotongan laser berbanding pemotongan mekanikal termasuk pegangan kerja yang lebih mudah dan pencemaran bahan kerja yang berkurangan (kerana tiada alat canggih yang boleh dicemari oleh bahan atau mencemarkan bahan).Ketepatan mungkin lebih baik, kerana pancaran laser tidak haus semasa proses.Terdapat juga peluang berkurangan untuk meledingkan bahan yang sedang dipotong, kerana sistem laser mempunyai zon terjejas haba yang kecil.[8]Sesetengah bahan juga sangat sukar atau mustahil untuk dipotong dengan cara yang lebih tradisional.
Pemotongan laser untuk logam mempunyai kelebihan berbanding pemotongan plasma iaitu lebih tepat[9] dan menggunakan kurang tenaga semasa memotong kepingan logam;walau bagaimanapun, kebanyakan laser perindustrian tidak dapat memotong ketebalan logam yang lebih besar daripada plasma.Mesin laser baru yang beroperasi pada kuasa yang lebih tinggi (6000 watt, berbeza dengan penarafan 1500 watt mesin pemotong laser awal) menghampiri mesin plasma dalam keupayaannya untuk memotong bahan tebal, tetapi kos modal mesin sedemikian jauh lebih tinggi daripada plasma. mesin pemotong yang mampu memotong bahan tebal seperti plat keluli.[10]
Jenis
Pemotong laser CO2 4000 watt
Terdapat tiga jenis utama laser yang digunakan dalam pemotongan laser.Laser CO2 sesuai untuk memotong, membosankan, dan mengukir.Laser neodymium (Nd) dan neodymium yttrium-aluminium-garnet (Nd:YAG) adalah sama dalam gaya dan berbeza hanya dalam penggunaan.Nd digunakan untuk membosankan dan di mana tenaga tinggi tetapi pengulangan rendah diperlukan.Laser Nd:YAG digunakan di mana kuasa yang sangat tinggi diperlukan dan untuk membosankan dan mengukir.Kedua-dua laser CO2 dan Nd/Nd:YAG boleh digunakan untuk mengimpal.[11]
Laser CO2 biasanya "dipam" dengan mengalirkan arus melalui campuran gas (DC-teruja) atau menggunakan tenaga frekuensi radio (RF-teruja).Kaedah RF adalah lebih baru dan telah menjadi lebih popular.Oleh kerana reka bentuk DC memerlukan elektrod di dalam rongga, mereka boleh menghadapi hakisan elektrod dan penyaduran bahan elektrod pada barangan kaca dan optik.Oleh kerana resonator RF mempunyai elektrod luaran, mereka tidak terdedah kepada masalah tersebut.Laser CO2 digunakan untuk pemotongan industri banyak bahan termasuk titanium, keluli tahan karat, keluli lembut, aluminium, plastik, kayu, kayu kejuruteraan, lilin, fabrik dan kertas.Laser YAG digunakan terutamanya untuk memotong dan menconteng logam dan seramik.[12]
Sebagai tambahan kepada sumber kuasa, jenis aliran gas boleh menjejaskan prestasi juga.Varian biasa laser CO2 termasuk aliran paksi pantas, aliran paksi perlahan, aliran melintang dan papak.Dalam resonator aliran paksi pantas, campuran karbon dioksida, helium dan nitrogen diedarkan pada halaju tinggi oleh turbin atau peniup.Laser aliran melintang mengedarkan campuran gas pada halaju yang lebih rendah, memerlukan peniup yang lebih mudah.Resonator yang disejukkan papak atau resapan mempunyai medan gas statik yang tidak memerlukan tekanan atau barangan kaca, yang membawa kepada penjimatan pada turbin gantian dan barangan kaca.
Penjana laser dan optik luaran (termasuk kanta fokus) memerlukan penyejukan.Bergantung pada saiz dan konfigurasi sistem, haba buangan mungkin dipindahkan oleh penyejuk atau terus ke udara.Air ialah penyejuk yang biasa digunakan, biasanya diedarkan melalui penyejuk atau sistem pemindahan haba.
laser microjet ialah laser berpandukan jet air di mana pancaran laser berdenyut digandingkan ke dalam pancutan air tekanan rendah.Ini digunakan untuk melaksanakan fungsi pemotongan laser semasa menggunakan pancutan air untuk membimbing pancaran laser, sama seperti gentian optik, melalui pantulan dalaman total.Kelebihan ini ialah air juga menghilangkan serpihan dan menyejukkan bahan.Kelebihan tambahan berbanding pemotongan laser "kering" tradisional ialah kelajuan dadu yang tinggi, kerf selari, dan pemotongan omnidirectional.[13]
Laser gentian ialah sejenis laser keadaan pepejal yang berkembang pesat dalam industri pemotongan logam.Tidak seperti CO2, teknologi Fiber menggunakan medium keuntungan pepejal, berbanding gas atau cecair."Laser benih" menghasilkan pancaran laser dan kemudian dikuatkan dalam gentian kaca.Dengan panjang gelombang hanya 1064 nanometer serat laser menghasilkan saiz tempat yang sangat kecil (sehingga 100 kali lebih kecil berbanding CO2) menjadikannya sesuai untuk memotong bahan logam reflektif.Ini adalah salah satu kelebihan utama Fiber berbanding CO2.[14]
Faedah pemotong laser gentian termasuk:-
Masa pemprosesan yang cepat.
Penggunaan tenaga & bil dikurangkan – disebabkan kecekapan yang lebih tinggi.
Kebolehpercayaan dan prestasi yang lebih tinggi – tiada optik untuk dilaraskan atau diselaraskan dan tiada lampu untuk diganti.
Penyelenggaraan minima.
Keupayaan untuk memproses bahan yang sangat reflektif seperti tembaga dan loyang
Produktiviti yang lebih tinggi – kos operasi yang lebih rendah menawarkan pulangan yang lebih besar untuk pelaburan anda.[15]
Kaedah
Terdapat banyak kaedah yang berbeza dalam memotong menggunakan laser, dengan jenis yang berbeza digunakan untuk memotong bahan yang berbeza.Beberapa kaedah adalah pengewapan, cair dan tiupan, lebur tiupan dan pembakaran, retak tegasan haba, scribing, pemotongan sejuk dan pembakaran pemotongan laser stabil.
Pemotongan pengewapan
Dalam pengewapan pemotongan rasuk fokus memanaskan permukaan bahan ke titik kilat dan menghasilkan lubang kunci.Lubang kunci membawa kepada peningkatan mendadak dalam penyerapan dengan cepat mendalamkan lubang.Apabila lubang semakin dalam dan bahan mendidih, wap yang dihasilkan menghakis dinding cair yang dihembus keluar dan membesarkan lagi lubang.Bahan tidak lebur seperti kayu, karbon dan plastik termoset biasanya dipotong dengan kaedah ini.
Cairkan dan tiup
Pemotongan cair dan tiupan atau gabungan menggunakan gas bertekanan tinggi untuk meniup bahan lebur dari kawasan pemotongan, dengan sangat mengurangkan keperluan kuasa.Mula-mula bahan dipanaskan hingga takat lebur kemudian pancutan gas meniup bahan cair keluar dari kerf mengelakkan keperluan untuk menaikkan suhu bahan lebih jauh.Bahan yang dipotong dengan proses ini biasanya logam.
Retak tegasan terma
Bahan rapuh sangat sensitif terhadap keretakan haba, ciri yang dieksploitasi dalam keretakan tegasan haba.Rasuk difokuskan pada permukaan menyebabkan pemanasan setempat dan pengembangan terma.Ini mengakibatkan retakan yang kemudiannya boleh dipandu dengan menggerakkan rasuk.Retak boleh digerakkan mengikut urutan m/s.Ia biasanya digunakan dalam memotong kaca.
Potongan siluman wafer silikon
Maklumat lanjut: Wafer dicing
Pemisahan cip mikroelektronik seperti yang disediakan dalam fabrikasi peranti semikonduktor daripada wafer silikon boleh dilakukan dengan apa yang dipanggil proses mencelup stealth, yang beroperasi dengan laser Nd:YAG berdenyut, panjang gelombangnya (1064 nm) disesuaikan dengan baik kepada elektronik. jurang jalur silikon (1.11 eV atau 1117 nm).
Pemotongan reaktif
Juga dipanggil "pemotongan gas laser stabil terbakar", "pemotongan api".Pemotongan reaktif adalah seperti pemotongan obor oksigen tetapi dengan pancaran laser sebagai sumber pencucuhan.Selalunya digunakan untuk memotong keluli karbon dalam ketebalan melebihi 1 mm.Proses ini boleh digunakan untuk memotong plat keluli yang sangat tebal dengan kuasa laser yang agak kecil.
Toleransi dan kemasan permukaan
Pemotong laser mempunyai ketepatan kedudukan 10 mikrometer dan kebolehulangan 5 mikrometer.[rujukan?
Kekasaran standard Rz meningkat dengan ketebalan kepingan, tetapi berkurangan dengan kuasa laser dan kelajuan pemotongan.Apabila memotong keluli karbon rendah dengan kuasa laser 800 W, kekasaran standard Rz ialah 10 μm untuk ketebalan kepingan 1 mm, 20 μm untuk 3 mm, dan 25 μm untuk 6 mm.
{\displaystyle Rz={\frac {12.528\cdot S^{0.542}}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}}{\displaystyle Rz={\frac {12.528\cdot S^{0.542 }}{P^{0.528}\cdot V^{0.322}}}}
Di mana: {\displaystyle S=}S= ketebalan kepingan keluli dalam mm;{\displaystyle P=}P= kuasa laser dalam kW (sesetengah pemotong laser baharu mempunyai kuasa laser sebanyak 4 kW);{\displaystyle V=}V= kelajuan pemotongan dalam meter seminit.[16]
Proses ini mampu menahan toleransi yang agak rapat, selalunya dalam 0.001 inci (0.025 mm).Geometri bahagian dan kekukuhan mekanikal mesin mempunyai banyak kaitan dengan keupayaan toleransi.Kemasan permukaan biasa yang terhasil daripada pemotongan pancaran laser mungkin berkisar antara 125 hingga 250 mikro-inci (0.003 mm hingga 0.006 mm).[11]
Konfigurasi mesin
Laser optik terbang dwi-pallet
Kepala laser optik terbang
Secara amnya terdapat tiga konfigurasi berbeza mesin pemotong laser perindustrian: bahan bergerak, hibrid dan sistem optik terbang.Ini merujuk kepada cara pancaran laser digerakkan ke atas bahan yang akan dipotong atau diproses.Untuk semua ini, paksi gerakan biasanya ditetapkan paksi X dan Y.Jika kepala pemotong boleh dikawal, ia ditetapkan sebagai paksi Z.
Laser bahan bergerak mempunyai kepala pemotong pegun dan menggerakkan bahan di bawahnya.Kaedah ini menyediakan jarak yang tetap dari penjana laser ke bahan kerja dan satu titik untuk membuang efluen pemotongan.Ia memerlukan lebih sedikit optik, tetapi memerlukan memindahkan bahan kerja.Mesin gaya ini cenderung mempunyai optik penghantaran rasuk yang paling sedikit, tetapi juga cenderung menjadi yang paling perlahan.
Laser hibrid menyediakan jadual yang bergerak dalam satu paksi (biasanya paksi X) dan menggerakkan kepala sepanjang paksi (Y) yang lebih pendek.Ini menghasilkan panjang laluan penghantaran rasuk yang lebih malar daripada mesin optik terbang dan mungkin membenarkan sistem penghantaran rasuk yang lebih mudah.Ini boleh mengakibatkan pengurangan kuasa dalam sistem penghantaran dan lebih banyak kapasiti per watt daripada mesin optik terbang.
Laser optik terbang menampilkan meja pegun dan kepala pemotong (dengan pancaran laser) yang bergerak di atas bahan kerja dalam kedua-dua dimensi mendatar.Pemotong optik terbang memastikan bahan kerja tidak bergerak semasa pemprosesan dan selalunya tidak memerlukan pengapit bahan.Jisim bergerak adalah malar, jadi dinamik tidak dipengaruhi oleh saiz bahan kerja yang berbeza-beza.Mesin optik terbang adalah jenis terpantas, yang berfaedah apabila memotong bahan kerja yang lebih nipis.[17]
Mesin optik terbang mesti menggunakan beberapa kaedah untuk mengambil kira perubahan panjang rasuk dari medan dekat (dekat dengan resonator) pemotongan ke medan jauh (jauh dari resonator) pemotongan.Kaedah biasa untuk mengawal ini termasuk kolimasi, optik penyesuaian atau penggunaan paksi panjang rasuk malar.
Mesin lima dan enam paksi juga membenarkan memotong bahan kerja yang dibentuk.Di samping itu, terdapat pelbagai kaedah untuk mengorientasikan pancaran laser kepada bahan kerja berbentuk, mengekalkan jarak fokus yang betul dan kebuntuan muncung, dsb.
Berdenyut
Laser berdenyut yang memberikan letupan tenaga berkuasa tinggi untuk tempoh yang singkat sangat berkesan dalam beberapa proses pemotongan laser, terutamanya untuk menindik, atau apabila lubang yang sangat kecil atau kelajuan pemotongan yang sangat rendah diperlukan, kerana jika pancaran laser berterusan digunakan, haba boleh sampai ke tahap mencairkan keseluruhan kepingan yang dipotong.
Kebanyakan laser industri mempunyai keupayaan untuk berdenyut atau memotong CW (gelombang berterusan) di bawah kawalan program NC (kawalan berangka).
Laser nadi berganda menggunakan satu siri pasangan nadi untuk meningkatkan kadar penyingkiran bahan dan kualiti lubang.Pada asasnya, nadi pertama mengeluarkan bahan dari permukaan dan yang kedua menghalang ejecta daripada melekat pada sisi lubang atau potongan.[18]
Masa siaran: Jun-16-2022